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摘要：基于常规的道路下穿既有铁路桥梁形式，通过对桩板结构结合普通路基段下穿既有铁路桥梁建立三维数值模型，计算分析两种形式对铁路桥梁的影响。结果显示，软基处理阶段对铁路桥墩的影响较大，相邻桥墩承台沉降差超限。故对原设计提出优化建议后再次进行数值分析，得出下穿段全部采用桩板结构，或优化软基处理布置形式、施工工艺等会降低对铁路桥梁的影响，相比之下，建议优先选用桩板结构形式下穿既有铁路桥梁。
关键词：道路下穿；既有铁路桥梁；桩板结构；软基处理；优化
随着交通路网的不断完善及扩展，道路与铁路在平面上的交汇越来越多，目前大致分上跨、下穿、平交三种模式。其中道路下穿铁路模式中，往往受限条件众多，如铁路桥下净空、道路与铁路中心线交角、地质情况以及铁路安全保护范围等因素，导致道路下穿铁路桥的形式多样化。规范[1]中列出在道路下穿既有铁路桥梁情况下，受桥下净空、地质条件等因素影响，按梁桥、桩板、路基顺序选择道路过轨形式。
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图1道路下穿既有铁路平面图
Figure 1 Plan of road Undercrossing existing railway
而目前较为常用的下穿既有铁路桥形式为桩板结构，其结构造价相对低，施工工艺简单，受力合理，且对既有铁路的影响较小，尤其在地质条件不好的情况下，颇受欢迎。文献[2]中通过具体的工程实例分析了桩板结构下穿既有高铁桥梁中其附加荷载、撞击力对桥墩的影响；文献[3]通过三维有限元模拟分析了简支梁桥和桩板结构对高速铁路桥的影响；文献[4]以具体工程实例通过对前期规划、施工预控措施以及工程管理等方面进行了探讨；文献[5]结合具体施工过程详细分析了桩板结构各施工工况对铁路桥墩的影响。
本文以桩板结构结合路基形式下穿既有铁路的情况，通过建立三维数值模型，分析整个施工过程对既有铁路桥梁的影响。
1工程概况
新建公路等级为二级，宽21m，双向四车道，由西向东分别穿越既有高速铁路1处，在建高速铁路1处以及普速铁路1处，穿越处铁路均为桥梁区段，道路中心线与既有高速铁路中心线交角为63°。穿越处既有铁路桥梁均为连续梁桥的主跨，其中在建桥梁均未架梁。由于穿越处土层起伏较大，沿道路方向，由西向东淤泥层厚度由16m逐渐变化至4m，且既有高速铁路桥下净空仅有5.32m（道路净空按≥5.0m控制），故选择桩板结构下穿既有高速铁路，路基形式下穿在建铁路桥梁。
其中桩板结构采用两联，尺寸为（3×15+2×15）m，总75m，桩基采用1.0m钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。
路基段软土地基处理采用直径为60cm水泥搅拌桩复合地基，桩中心间距1.0m，平面呈矩阵式布置，单桩桩长4m~16m。
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图2软基处理形式
Figure 2 Soft foundation treatment form
2数值建模
采用有限元软件进行三维数值模拟分析该桩板结构结合路基段全过程施工中对既有、在建铁路桥的影响,地质土层参数如表1所示。模型中土体采用常规的修正摩尔库伦本构，桥梁实体则采用弹性本构。桩基础均添加桩界面单元，用来模拟桩基施工过程中与桩周土体的相互作用效果。
表1地质参数表
Table 1 Table of geological parameters
通过模型分析，整个桩板结构施工中对既有铁路桥的影响较小，而路基段软基处理工况中，对既有、在建铁路桥的影响均较大。其中既有高铁最大变形量位于3#墩处，墩顶最大值为横桥向0.586mm，顺桥向0.305mm，沉降变形为0.314mm，承台最大值为横桥向0.492mm，顺桥向0.270mm，沉降变形为0.337mm；在建铁路桥梁最大变形位于高铁8#墩处，墩顶最大值为横桥向4.086mm，顺桥向6.337mm，沉降变形为3.068mm，承台最大值为横桥向1.484mm，顺桥向2.110mm，沉降变形为4.422mm。
与现行相关规范对照，道路下穿既有铁路全过程施工中对既有铁路桥的影响变形值均在控制标准内，而在建高铁8#、9#墩承台相邻沉降差为5.24mm，其值超出了高速铁路无砟轨道静定结构墩台基础工后沉降限值5mm。
3设计优化
桩板结构施工中对既有铁路桥的影响主要在结构桩基施工中，故规范[1]中对新建桩基距离既有铁路承台桩基的距离有相关要求。而软基处理中采用的形式，深度，范围均对土体会产生不同程度的扰动，从而影响邻近铁路桥发生变形。
本工程中，在普速铁路桥下路基段由于地质情况相对较好，没有采取复合地基处理措施，但该段填筑高度相对较大，最大填筑高度约2m，而路基压实过程中施工机械的振动也会对土体产生影响，从而引起铁路桥墩、台的变形。故结合数值模型结果，提出两种优化方案。
（1）结构优化
根据工程实际条件，取消软土复合地基处理措施，道路下穿既有、在建高铁段均采用桩板结构形式。
（2）软基处理优化
下穿在建高铁桥处仍采用路基形式，软基处理保留直径0.6m水泥搅拌桩以及桩长不变，但在确保地基承载力满足相关要求的情况下，将水泥搅拌桩平面布置形式调整为三角梅花形布置形式，且桩间距为1.3m，路基填筑段选用轻质泡沫混凝土。
将优化后的结构再次进行数值建模分析，优化前后对在建高铁桥墩的变形影响见表2~3所示。结构优化后，以桩板结构形式下穿铁路桥梁施工过程中对既有铁路桥的变形影响大大降低。而软基处理优化后，其相邻桥墩承台沉降差为4.26mm，相邻桥墩沉降差为2.074mm，均满足高速铁路无砟轨道静定结构墩台基础工后沉降限制标准，但全过程施工中仍旧是软基处理工况对铁路桥梁影响相对较大。
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图3三维数值模型
Figure 3 Three dimensional numerical model
表2结构优化前后数值计算结果
Table 2 Numerical results before and after structural optimization
4结论
（1）道路下穿既有铁路桥梁时，在受桥下净空、地质情况的影响下，优先采用桩板结构形式。
（2）通过三维数值模拟结果来看，道路采用软基处理施工阶段对既有铁路桥梁的影响较大，其相邻桥墩承台的沉降差超出了高速铁路无砟轨道静定结构墩台基础工后沉降限值5mm。而若在保证地基承载力满足的情况下，优化软基处理的布置方式或形式，则可以大幅度降低软基处理施工中对既有铁路桥的变形影响。
（3）由于高铁桥梁变形控制较严格，为保证铁路安全运营，结合数值分析以及以往类似工程的施工情况来看，桩板结构全过程施工中对既有铁路桥的影响较小，在可控范围内，但新建桩基距离既有铁路桥梁桩基须确保安全距离。
参考文献
[1]同济大学，中国铁路经济规划研究院.TB10182-2017公路与市政工程下穿高速铁路技术规程[S].北京:中国铁道出版社,2018.
[2]曾思坡.城市道路下穿运营高铁桥梁的方案选择[J].城市道桥与防洪.2017,4（4）：36-38.
[3]刘宝龙.基于三维有限元的公路桥梁下穿高铁桥梁影响性分析[J].科技论坛.2015,4:134-136.
[4]邓称意.某城市主干道下穿既有高铁设计案例分析[J].工程设计.2019, 14:208-209.
[5]吉军立.浅析城市道路下穿高铁的影响与分析[J].工程与建设.2016,30（1）：63-65.
作者简介
贾一全（1986~），女，籍贯（甘肃省兰州市），硕士研究生，工程硕士学位，工程师，现从事桥梁工程工作领域。